Sunday, September 18, 2016

EL CARÁCTER DE LA LEY FÍSICA DE RICHARD FEYNMAN


Este libro trata de una serie de conferencias de Richard Feynman que hablan sobre lo que tienen en común las varias leyes físicas de que disponemos en lugar de hablar de cual es la ley física porque no la conocemos.


El Caracter de la Ley Fisica de Richard Feynman
Portada del libro El Carácter de la Ley Física de Richard Feynman


Las conferencias que recoge este libro son:

1) La Ley de Gravitación, un ejemplo de Ley Física.
2) Relación de las Matemáticas con la Física.
3) Los Grandes Principios de Conservación.
4) Simetría y Ley Física.
5) La distinción entre pasado y futuro.
6) Probabilidad e Incertidumbre. La visión Mecano-Cuántica de la Naturaleza.
7) Buscando Nuevas Leyes.



A continuación hago un pequeño resumen de cada una de ellas.



1- La Ley de Gravitación, un ejemplo de Ley Física



La Ley de Gravitación Universal de Newton es simple y elegante porque con una ecuación sencilla permite un gran poder predictivo. Eso no quiere decir que los cálculos sean siempre sencillos. Por ejemplo no hay una solución analítica (solo mediante métodos aproximativos) cuando se intenta calcular las órbitas de tres cuerpos celestes que se atraen mutuamente.



Ley de Gravitacion Universal de Newton
La Ley de Gravitación Universal de Newton es un ejemplo de ley física


Sistema Solar
La Ley de Newton permite calcular con bastante precisión las órbitas de los planetas del sistema solar





Características Comunes de las Leyes Físicas


La gravedad junto con otras leyes de la física tienen en común que son matemáticas. Además son inexactas (no se puede estar seguro de que sean ciertas). Einstein modificó la Ley de Newton tras más de dos siglos de vigencia. A su vez la Teoría de la Relatividad no es lo suficientemente correcta porque hay que incorporar en ella la teoría cuántica.


Ecuacion de la Teoria General de la Relatividad
Ecuación de la Teoría General de la Relatividad, la teoría que modifica la Ley de Newton, expresada en lenguaje matemático



Las leyes físicas también son simples en su forma y principios, y por tanto bellas, aunque complejas en sus acciones. Finalmente son universales.




2- Relación de las Matemáticas con la Física



Las leyes de la naturaleza son expresadas mediante el lenguaje matemático. Las matemáticas son útiles para analizar fenómenos complejos y extraer las reglas fundamentales. Las matemáticas son un lenguaje más razonamiento, o lenguaje más lógica, un instrumento para razonar. Permiten establecer conexiones entre afirmaciones. Las matemáticas son una manera profunda de expresar la naturaleza.


Ecuaciones de la Fisica
Ecuaciones famosas de la física como ejemplo de expresar las leyes de la naturaleza en lenguaje matemático



3- Los Grandes Principios de Conservación



Son principios generales que todas las leyes físicas parecen cumplir, junto con ciertas propiedades de simetría, la forma general de los principios de la Mecánica Cuántica y el hecho de que sean matemáticas.

Algunos de ellos son:


  • Conservación de la masa-energía.
  • Conservación de la carga.
  • Conservación del momento líneal.
  • Conservación del momento angular.
  • Conservación de los bariones y leptones.
  • Conservación de la extrañeza (casi).


Los principios de conservación permiten descubrir otras leyes o explicar fenómenos que no conocemos.




4- Simetría y Ley Física



Existen un conjunto de simetrías que parecen cumplir todas las leyes de la naturaleza. Algunas de las simetrías más importantes de la naturaleza son:


  • Simetría de traslación en el espacio.
  • Simetría de traslación en el tiempo.
  • Simetría de rotación en el espacio.
  • Principio de Relatividad.


Por ejemplo, un átomo puede sustituirse por otro de la misma clase sin que se note diferencia en fenómeno alguno.

Aún así hay algunas excepciones:


  • Cambio de escala.
  • Movimiento giratorio.
  • Simetría especular.


Existe una profunda conexión entre las leyes de simetría y los principios de conservación que reside en el principio de mínima acción que emana de la Mecánica Cuántica:


  • Principio de mínima acción + simetría de traslación en el espacio = Conservación  del momento lineal.
  • Principio de mínima acción + simetría de traslación en el tiempo = Conservación de la energía.
  • Principio de mínima acción + simetría de rotación en el espacio = Conservación del momento angular.


La simetría especular (o paridad) no se cumple únicamente para desintegraciones beta, gobernadas por la interacción débil.



5- La distinción entre pasado y futuro



Las leyes de la física son reversibles en el tiempo. Los procesos parecen irreversibles porque el camino contrario es muy improbable debido a  la aleatoriedad de los movimientos moleculares. Un sistema ordenado (solo una o muy pocas combinaciones de sus partículas) es mucho más improbable que uno desordenado (prácticamente cualquier combinación de sus partículas).

Si partimos de la hipótesis de que en el pasado el Universo estaba más ordenado, entonces todo tiende a desordenarse con el paso del tiempo. Esta tendencia al desorden en una única dirección del tiempo es lo que orienta la flecha del tiempo hacia el futuro. Lo que hace distinguible el pasado del futuro.

Podemos considerar la temperatura como la facilidad para extraer energía de un sistema. Si todo posee igual temperatura, deja de existir energía disponible. Según el principio de irreversibilidad, si existe una diferencia de temperatura y esperamos, la temperatura se hace más uniforme y la energía disponible decrece. Esto último es equivalente a afirmar que la entropía siempre aumenta.




6- Probabilidad e Incertidumbre. La visión Mecano-Cuántica de la Naturaleza



Las leyes de la naturaleza parecen cada vez más irracionales y alejadas de la intuición. Pero una Ley Científica no tiene por qué ser intuitiva. Debe ser un modelo de la realidad que haga predicciones comprobables y correctas aunque proporcione una imagen de la naturaleza poco intuitiva o extraña.

Por ejemplo el concepto de simultaneidad desaparece con la Teoría de la Relatividad. Otro ejemplo es la luz. Primero parecía de naturaleza corpuscular, luego ondulatoria y, finalmente, ambas. A nivel microscópico, bajo las leyes de la Mecánica Cuántica, nada se comporta como en el mundo macroscópico. Según Feynman, nadie entiende realmente la Mecánica Cuántica.


Principio de Incertidumbre de Heisenberg
El Principio de Incertidumbre de Heisenberg está en el corazón de la Mecánica Cuántica


Las paradojas, misterios y peculiaridades de la Mecánica Cuántica se concentran en el experimento de la doble rendija. Este experimento conduce al concepto de función de onda y al cálculo de probabilidades.



Experimento de la Doble Rendija
Patrón de interferencia en el experimento de la doble rendija





7) Buscando Nuevas Leyes



Los experimentos pueden producir resultados inesperados, y con ellos empieza un búsqueda de una nueva ley que los explique.

Los experimentos también pueden derribar teorías, pero no pueden demostrar que son correctas, solo que son provisionalmente correctas. Nunca podemos estar completamente seguros de que una ley física es correcta, solo de que es falsa.

La Ley de Gravitación de Newton fue confirmada por los experimentos hasta que pudo medirse la desviación del perihelio de Mercurio, que esta ley no predecía.

Pero para poder poner a prueba una teoría, esta debe proporcionar predicciones precisas comprobables mediante experimentos. Si no, no es falsable, y por tanto, no es una teoría científica, no es ciencia. Esto es lo que pasa actualmente con la Teoría de Cuerdas.

Como en bajas energías las leyes actuales funcionan bastante bien, los experimentadores se centran en altas energías para poner a prueba las teorías actuales. Si se descubre algo erróneo es la manera de avanzar buscando nuevas leyes que lo expliquen.


Detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones
Montaje del calorímetro del detector ATLAS del LHC, un experimento de altas energías fundamental para descubrir nuevas leyes de la naturaleza


En el proceso de proponer una teoría, calcular sus predicciones y comprobarlas con experimentos podemos estancarnos en cualquiera de estas fases. Por ejemplo, en 1934 Yukawa propuso una teoría que nadie sabía como calcular sus consecuencias porque las matemáticas eran demasiado difíciles. 

En el caso de las teorías de gravedad cuántica pasa algo similar pero con la experimentación. Los experimentos realizables nunca involucran la mecánica cuántica y la gravedad al mismo tiempo.

Las pocas predicciones que proporciona la Teoría de Cuerdas en gravedad cuántica no sabemos como comprobarlas porque no disponemos de la tecnología necesaria para diseñar los experimentos que lo  permitan.

Al empezar a elaborar una nueva teoría intentamos incluir todos los principios bien conocidos que sabemos que funcionan. Sin embargo, todos juntos son inconsistentes y llevan a conclusiones erróneas. ¿A qué renunciamos? ¿Qué incluimos en su lugar?

Hay que tener una gran capacidad para saber que hay que descartar. Hay que ser muy inteligente y creativo para proponer hipótesis que funcionen. Como Newton, Maxwell, Einstein, Heisenberg o Schrödinger.


Ecuacion de Schrodinger
Ecuación de Schrodinger


En general intentamos descubrir nuevas leyes siguiendo el siguiente proceso:

Primero la proponemos. Luego calculamos sus consecuencias para ver que implicaría si esta ley fuera correcta. Entonces comparamos los cálculos realizados con la naturaleza mediante experimentos. Si no está de acuerdo con el experimento entonces es errónea. Ahí está la clave de la ciencia. No importa como de bella sea tu propuesta o lo inteligente que seas o cómo te llames. Si no explica los experimentos es errónea.

A veces para descubrir una nueva ley física hay que proceder de forma totalmente nueva, con lo que la historia no nos ayuda. 

Es difícil descubrir una ley que prediga correctamente todo lo conocido y dé predicciones diferentes precisamente en aquellos experimentos en que las teorías conocidas fallen.

La intuición nos dice, opina Feynman, que cuando una nueva ley predice correctamente hechos conocidos pero de manera más simple que las teorías existentes y, además, proporciona nuevas predicciones donde las teorías vigentes fallan, entonces probablemente sea correcta. Esto es así porque la naturaleza es simple y, por tanto, tiene una gran belleza.

Las ideas entorno a una teoría pueden cambiar mucho incluso aunque haya diferencias minúsculas en las predicciones de la nueva teoría respecto a la antigua. La Ley de Newton funcionaba muy bien pero no explicaba correctamente la órbita de Mercurio. Para explicarla hizo falta una teoría completamente nueva.  El motivo es que la ley de Newton era simple, tan perfecta y proporcionaba predicciones tan correctas que una nueva teoría que la sustituyera debería ser completamente diferente. Al proponer una nueva ley no puedes crear imperfecciones en algo perfecto. Tienes que crear otra cosa perfecta. Por tanto las diferencias filosóficas entre las teorías de Newton y Einstein son enormes aunque las predicciones en la mayoría de los casos son bastante similares.




Opinión Personal



Las conferencias de Richard Feynman son extremadamente didácticas. Toma todo el tiempo necesario para explicar los conceptos fundamentales con múltiples ejemplos. Realiza explicaciones paso a paso, con todos los detalles. 

Acertadamente no intenta abarcar mucho. Explica lo más importante, los conceptos más fundamentales, pero los explica a fondo, con el máximo detalle y de una manera comprensible e incluso con algunos toques de humor. Por ello son muy apropiadas para todo aquel interesado en la ciencia pero que no ha tenido la formación académica necesaria para poder profundizar en ella.

En esta serie de conferencias recoge las características que debería tener una ley física utilizando como ejemplo algunas leyes actuales conocidas como la Ley de Gravitación. 

El genio de Feynman puede resumirse con la imagen de uno de los diagramas que llevan su nombre y que tan útiles son en la física de partículas de altas energías.



Diagrama de Feynman
Diagrama de Feynman


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